到了汉武帝（公元前140—前87年在位）时代，经过近70年的恢复和发展，汉朝的经济实力已有很大的增强，粮食和物资的储备相当充足。特别是在景帝前元三年（公元前154年）平息了以吴王刘濞〔bì必〕为首的七个同姓诸侯国的叛乱以后，中央集权大大加强，基本消除了内部分裂的威胁。恢复秦朝的疆域，进一步向外开拓的条件已经成熟了。

汉武帝建元三年（公元前138年），闽越围攻东瓯，东瓯向朝廷求救。武帝立即派严助率会稽（今长江三角洲和浙江北部）的军队渡海前往救援，迫使闽越解围撤回。据说东瓯怕汉军撤退后闽越会卷土重来，要求内迁，于是大部分东瓯的越人被安置在长江和淮河之间地区。

三年后，闽越王郢进攻南越，武帝在接到南越报告后，命王恢和韩安国出兵。闽越王的弟弟馀善杀了郢，向汉军投降。由于汉军无法久驻，武帝还是保留了闽越国，立馀善为王。但馀善依然反复无常，因此到元鼎六年（公元前111年）汉朝灭南越后，武帝即派杨仆等乘胜进军。次年汉军攻占闽越，馀善被部下所杀，闽越人大部分被迁往江淮之间，当地几乎成了无人区，直到西汉后期，遗留下来的越人逐渐增加，才重新在今天的福州恢复了冶县，以今天浙江台州市椒江区一带设立了回浦县，隶属于会稽郡（治所在吴县，今江苏苏州市）。

武帝初年，匈奴仍然常常侵扰汉朝北部边疆。元光二年（公元前133年），30万汉军埋伏在马邑（今山西朔州市）一带，企图引诱单于入侵，一举歼灭。但计谋被单于识破，未等汉军合围就撤走了。从此匈奴更加剧了侵扰，汉朝北部从今陕西北部至辽宁西部一线无不受到骚扰掳掠。元光六年（公元前129年）开始，汉军连续发动进攻，在元朔二年（公元前127年）驱逐了匈奴的白羊、楼烦王，收复了“河南地”。汉朝在这里设置了朔方郡（治所在今内蒙古杭锦旗北）和五原郡（治所在今包头市西北），并修缮了蒙恬所筑的城塞，使边界又恢复到了阴山山脉一线。第二年，又暂时停止了在西南的经营，集中力量筑朔方城，进一步巩固边防。

元狩二年（公元前121年），汉军主力从西路出击，俘获了匈奴浑邪王的儿子。不久，浑邪王杀了不肯投降的休屠王，率众降汉。这样，汉朝的疆域扩大到了整个河西走廊和湟水流域，即今青海湖以东、祁连山东北地区，先后设置了酒泉（治所在今甘肃酒泉市）、武威（治所在今甘肃武威市）、张掖（治所在今甘肃张掖市西北）、敦煌（治所在今甘肃敦煌市西）和金城（治所在今甘肃永靖县西北）五个郡。原来聚居在湟水流域的羌人被驱赶到更西的地区，他们与匈奴的联系被隔断了。由于汉朝控制了河西走廊，通向西域的大门已经打开。